第六章固体吸附式制冷

固体吸附式制冷

固体吸附式制冷是通过微孔固体吸附剂在较低温度下吸附制冷剂，在较高温度下解吸制冷剂的吸附-解吸循环来实现的。相对于同样利用热能驱动的吸收式制冷而言，在热源温度比较低或冷凝温度比较高的条件下，采用合适的制冷工质对，吸附式制冷具有更高的效率，因此，吸附式制冷在低品位热源的利用方面极具优越性。

具有吸附作用的物质称为吸附剂；被吸附的物质称为吸附质（用作制冷剂），吸附剂与吸附质组成了吸附式制冷的工质对。

工质对的性能直接影响到制冷循环的效率以及装置的大小。理想的工质对应能满足平衡吸附量、吸附与解吸温度、吸附与解吸速率等一系列要求。要求吸附剂的吸附量大，吸附等温线平坦，吸附容量对温度变化敏感，吸附剂与吸附质相容。一般说来，吸附剂的表面积越大，它的吸附能力就越强。对吸附质的要求是单位体积蒸发潜热大，冰点较低，饱和蒸气压适当，无毒，不可燃，无腐蚀性，具有良好的热稳定性。

目前已开发出的工质对主要有如活性炭-甲醇/氨、沸石-水、硅胶-水等物理吸附工质对以及氯化钙-氨、氯化锶-氨、氯化钙-甲醇等化学吸附工质对等百余种。吸附式制冷的原理

固体吸附式制冷系统由吸附器、冷凝器、蒸发器以及控制阀等辅助设备组成。

吸附器里填满了固体吸附剂，当它被加热时，已被吸附的吸附质，从吸附剂表面脱附出来，进入冷凝器，与冷却介质进行热量交换，由气体冷凝为液体，并进入蒸发器。停止对吸附剂加热时，吸附剂开始冷却，吸附能力逐渐升高，并开始吸附蒸发器里的制冷剂蒸气达到制冷的目的。吸附了大量制冷剂蒸气的吸附剂为下一次加热脱附创造了条件。脱附-吸附循环如此周而复始，间歇地进行着制冷过程。

固体吸附式制冷原理图比较成熟的工质对及其适用范围冷冻（T＜253K）制冷（T=273K）空调（T=273～288K）采暖（T≈333K）工业热泵（T＞373K）沸石-氨氯化钙-氨活性炭-甲醇活性炭-氨活性炭-甲醇沸石-水硅胶-水活性炭-氨沸石-水沸石-水1.吸附式制冷工质对的研究

长期以来，人们对吸附式制冷工质对的研究一直方兴未艾。比较成熟的有活性炭-甲醇、活性炭-氨、氯化钙-氨、沸石-水、金属氢化物-氢。R.E.Critoph和Voge曾经比较了沸石、活性炭分别与R11、R12、R22、R114做工质对的情况，发现活性炭是一种较为理想的吸附剂。

目前用于太阳能等低温热源驱动的固体吸附式制冷工质对的工作特性如下表所示。工质对T0(OK)Tk(OK)Ta(OK)Tj(OK)x0(kg/kg)ε真空度要求抗压性要求有无毒性硅胶-水2783083033730.070.87高低无活性炭-氨气2683033033630.150.86高高有活性炭-甲醇2683033033830.1710.84高适中有活性炭-乙醇2683033033730.1450.85适中适中无固体吸附制冷工质对的工作特性T0为蒸发温度；Tk为冷凝温度；Ta为吸附温度；Tj为解吸温度；x0表示吸附率；ε为理论性能系数，ε=λ/H(λ为TO下的蒸发潜热,J/kg;H为平均等量吸附热J/kg)基本型吸附式制冷循环设置有一个吸附器，吸附-脱附过程交替进行，没有采用回热措施，不但损失了吸附床冷却放热及吸附放热的显热量，而且因为间歇式制冷产生切换损失，因此循环效率比较低。为了连续制冷，可以采用两个或多个吸附器交替工作。除此而外，在固体吸附式制冷循环的研究过程中，人们还提出了连续回热型、热波型、对流热波型和双效复叠型等多种更高效的吸附制冷循环。吸附式制冷循环的研究

9吸附器1吸附器2蒸发器冷凝器冷却水

系统中有两个吸附，假定对吸附器1加热，对吸附器2冷却，当吸附器1充分解析，吸附器2吸附饱和后，使吸附器1冷却，吸附器2加热，吸附器1、2交替运行组成了一个完整的连续制冷循环。

（1）连续回热循环

为了提高热能的利用率，在两个吸附器切换过程中，可通过循环冷却水将正在吸附的吸附器冷却时释放的显热和吸附热传递给正在解析的吸附器，以实现回热，从而减少了系统的能量输入，提高了循环的效率。

多床循环的吸附床与吸附床之间存在传热温差使系统的回热利用率不高，且投资费用随床数的增加而成倍增加。热波循环中吸附床被设计成一系列能独立进行热交换的小吸附床组成。沿冷却（加热）流体流程存在很大的温度梯度，以便最大限度地利用吸附过程放出的热量，更充分地回热。（2）热波循环11冷凝器蒸发器吸附器1吸附器2加热器冷却水（2）热波循环

多床循环的吸附床与吸附床之间存在传热温差使系统的回热利用率不高，且投资费用随床数的增加而成倍增加。热波循环中吸附床被设计成一系列能独立进行热交换的小吸附床组成。沿冷却（加热）流体流程存在很大的温度梯度，以便最大限度地利用吸附过程放出的热量，更充分地回热。

对流热波循环是一种吸附床内强迫对流以改善吸附床传热传质性能的循环方式，即利用制冷剂气体和吸附剂之间的强制对流，利用循环泵将高压制冷剂直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度。由于吸附床内传热条件良好，在较短的时间内就可将吸附床加热或冷却到预定温度。（3）对流热波循环13吸收器蒸发器冷凝器冷却器加热器

如图所示，吸附床内强迫对流，以改善吸附床传热传质性能的循环方式。气体循环泵气体循环泵（4）复叠式循环复叠式循环是

利用两个工作在不同温度范围内的吸附循环提高吸附热的利用率的一种双效循环

，例如以沸石-水为工质对的高温循环来驱动以活性炭-甲醇为工质对的低温循环。

比较理想的复叠式循环：高温级采用分子筛-水为工质对，在100～200℃高温区工作；低温级采用硅胶（分子筛）-水为工质对，在30～100℃低温区工作。其中100℃为中间温度，通过选择合适的加热温度和中间温度以及两级冷凝压力，可使系统COP值达到1.2。15吸附器